مدیریت انرژی برای FPGA ها

بحث های فنی زیادی در مورد طراحی یک راه حل مدیریت انرژی خوب برای یک برنامه FPGA وجود داشته است، زیرا این یک کار بی اهمیت نیست. یکی از جنبه های این کار شامل یافتن راه حل مناسب و انتخاب مناسب ترین محصول مدیریت انرژی است، در حالی که جنبه دیگر نحوه بهینه سازی راه حل واقعی برای استفاده با FPGA است. یافتن راه حل مناسب منبع تغذیه یافتن بهترین راه حل ممکن برای تامین انرژی FPGA ها ساده نیست. بسیاری از فروشندگان محصولات خاصی را به عنوان مناسب برای تامین انرژی FPGA به بازار عرضه می کنند. چه چیزی انتخاب مبدل های dc به dc را برای تغذیه FPGA ها خاص می کند؟ خیلی زیاد نیست به طور کلی، تمام مبدل های قدرت را می توان برای تغذیه FPGA استفاده کرد. توصیه‌ها برای محصولات خاص معمولاً بر این واقعیت استوار است که بسیاری از برنامه‌های FPGA به ریل‌های ولتاژ متعددی مانند هسته FPGA، ورودی/خروجی و احتمالاً یک ریل اضافی برای خاتمه حافظه DDR نیاز دارند. اغلب PMIC ها (مدارهای مجتمع مدیریت توان)، که در آن چندین مبدل dc به dc همگی در یک تراشه تنظیم کننده ادغام می شوند، ترجیح داده می شوند. یکی از راه‌های رایج برای یافتن راه‌حل مناسب برای تامین انرژی یک FPGA خاص، استفاده از طرح‌های مرجع مدیریت توان از قبل موجود است که بسیاری از فروشندگان FPGA ارائه می‌دهند. این نقطه شروع خوبی برای طراحی بهینه است. با این حال، اصلاح چنین طرح‌هایی اغلب ضروری است، زیرا یک سیستم با FPGA معمولاً به ریل‌ها و بارهای ولتاژ اضافی نیاز دارد که همچنین نیاز به تغذیه دارند. اضافات به طرح مرجع نیز اغلب ضروری است. نکته دیگری که باید در نظر گرفت این است که توان ورودی FPGA ها ثابت نیست. ولتاژ ورودی به شدت به سطوح منطقی واقعی و طرحی که FPGA اجرا می کند بستگی دارد. پس از تکمیل اصلاحات در طراحی مرجع مدیریت انرژی، با پیشنهاد اصلی طراحی مرجع متفاوت به نظر می رسد. می توان استدلال کرد که بهترین راه حل این است که حتی با طراحی مرجع مدیریت توان خود را خسته نکنید، بلکه ریل ها و جریان های ولتاژ مورد نیاز را مستقیماً در یک ابزار انتخاب مدیریت توان و بهینه سازی مانند LTpowerCAD از دستگاه های آنالوگ وارد کنید. شکل 1. ابزار LTpowerCAD برای انتخاب مبدل های dc به dc مناسب برای تغذیه FPGA. از LTpowerCAD می توان برای ارائه راه حل قدرت برای ریل های ولتاژ جداگانه استفاده کرد. همچنین مجموعه ای از طرح های مرجع را ارائه می دهد که نقطه شروع خوبی را در اختیار طراحان قرار می دهد. LTpowerCAD را می توان به صورت رایگان از وب سایت دستگاه های آنالوگ دانلود کرد. هنگامی که یک معماری قدرت و مبدل های ولتاژ فردی انتخاب شد، باید اجزای غیرفعال مناسب را انتخاب کرده و منبع تغذیه را طراحی کنیم. هنگام انجام این کار، باید الزامات بار ویژه FPGA را در نظر داشته باشیم. این موارد عبارتند از: الزامات جریان فردی توالی ریل ولتاژ افزایش یکنواخت ریل های ولتاژ گذراهای سریع توان دقت ولتاژ نیازهای جریان فردی مصرف جریان واقعی هر FPGA به شدت به مورد استفاده بستگی دارد. زمان بندی متفاوت و محتوای FPGA متفاوت به مقادیر متفاوتی از توان نیاز دارد. به همین دلیل، مشخصات نهایی منبع تغذیه برای یک طراحی معمولی FPGA در طول فرآیند طراحی سیستم FPGA تغییر می کند. سازندگان FPGA ابزارهای برآورد توان را ارائه می کنند که به محاسبه نوع سطح توان مورد نیاز راه حل کمک می کند. داشتن این اطلاعات قبل از ساخت سخت افزار واقعی بسیار مفید است. با این حال، طراحی FPGA باید نهایی باشد، یا حداقل نزدیک به نهایی باشد، تا نتایج معنی‌داری با چنین تخمین‌گرهایی به دست آید. اغلب مهندسان منبع تغذیه را با در نظر گرفتن حداکثر جریان FPGA طراحی می کنند. سپس، اگر معلوم شد که طراحی واقعی FPGA به انرژی کمتری نیاز دارد، منبع تغذیه را کاهش می‌دهند. توالی ریل ولتاژ بسیاری از FPGA ها به ریل های ولتاژ تغذیه متفاوت نیاز دارند تا در یک دنباله خاص بالا بیایند. اغلب اوقات قبل از بالا آمدن ولتاژهای ورودی/خروجی باید ولتاژ هسته تامین شود. در غیر این صورت برخی از FPGA ها آسیب خواهند دید. برای جلوگیری از این امر، منبع تغذیه باید به ترتیب صحیح تنظیم شود. با استفاده از پین‌های فعال در مبدل‌های dc-to-dc استاندارد، توالی‌یابی ساده را می‌توان به راحتی انجام داد. با این حال، توالی پایین کنترل شده نیز معمولا مورد نیاز است. هنگامی که فقط توالی پین فعال انجام می شود، دستیابی به یک نتیجه خوب دشوار است. راه حل بهتر استفاده از PMIC با ویژگی های توالی یابی یکپارچه پیشرفته، مانند ADP5014 است. بلوک مدار ویژه ای که توالی رو به بالا و معکوس قابل تنظیم را امکان پذیر می کند در شکل 2 به رنگ قرمز نشان داده شده است. شکل 2. ADP5014 PMIC با پشتیبانی یکپارچه برای توالی بالا و پایین انعطاف پذیر. شکل 3 توالی انجام شده با این دستگاه را نشان می دهد. تاخیر زمانی برای توالی بالا و پایین را می توان به راحتی با پین های تاخیری (DL) در ADP5014 تنظیم کرد. در صورت استفاده از منابع تغذیه جداگانه، یک تراشه توالی یابی اضافی می تواند از توالی روشن/خاموش مورد نیاز مراقبت کند. یک مثال LTC2924 است که می‌تواند پین‌های مبدل‌های dc به dc را برای روشن و خاموش کردن منابع تغذیه کنترل کند یا می‌تواند ماسفت‌های کانال N سطح بالا را برای اتصال و جدا کردن یک FPGA به ریل ولتاژ خاصی هدایت کند. شکل 3. توالی راه اندازی و خاموش شدن ولتاژهای تغذیه چندگانه FPGA. افزایش یکنواخت ریل های ولتاژ علاوه بر توالی ولتاژ، افزایش یکنواخت ولتاژها در هنگام راه اندازی نیز ممکن است ضروری باشد. این بدان معنی است که ولتاژ فقط به صورت خطی افزایش می یابد، همانطور که ولتاژ A در شکل 4 نشان داده شده است. ولتاژ B در این نمودار نمونه ای از افزایش یکنواخت ولتاژ را نشان می دهد. این می تواند زمانی اتفاق بیفتد که بار شروع به کشیدن جریان های بزرگ در یک سطح ولتاژ معین در حین راه اندازی کند. یکی از راه‌های جلوگیری از این امر، اجازه دادن به راه‌اندازی نرم طولانی‌تر منبع تغذیه و انتخاب مبدل‌های قدرتی است که می‌توانند به سرعت مقادیر زیادی جریان را تامین کنند. شکل 4. ولتاژ A به طور یکنواخت افزایش می یابد و ولتاژ B به طور یکنواخت افزایش نمی یابد. Fast Power Transients یکی دیگر از ویژگی های FPGA این است که FPGA ها خیلی سریع شروع به کشیدن جریان های بالا می کنند. آنها باعث ایجاد بار گذرا در منبع تغذیه می شوند. به همین دلیل، بسیاری از FPGA ها نیاز به جداسازی گسترده ولتاژ ورودی دارند. خازن های سرامیکی بسیار نزدیک بین پایه های VCORE و GND دستگاه استفاده می شوند. مقادیر تا 1 mF بسیار رایج هستند. چنین ظرفیت بالایی به کاهش تقاضای منابع تغذیه برای ارائه جریان های پیک بسیار بالا کمک می کند. با این حال، بسیاری از رگولاتورهای سوئیچینگ و LDO دارای حداکثر ظرفیت خروجی مشخص شده هستند. ظرفیت ظرفیت ورودی مورد نیاز FPGA می تواند از حداکثر ظرفیت خروجی مجاز منبع تغذیه تجاوز کند. منبع تغذیه خازن های خروجی بزرگ را دوست ندارند زیرا در هنگام راه اندازی، این بانک خازن مانند یک اتصال کوتاه در خروجی به رگولاتور سوئیچینگ به نظر می رسد. راه حلی برای این مشکل وجود دارد. یک زمان شروع نرم طولانی می تواند به ولتاژ روی بانک خازن بزرگ اجازه دهد تا بدون اینکه منبع تغذیه به حالت محدودیت جریان اتصال کوتاه برود، به طور قابل اعتماد بالا بیاید. شکل 5. نیاز خازن ورودی بسیاری از FPGA ها. دلیل دیگری که چرا برخی از مبدل های قدرت از ظرفیت خروجی بیش از حد خوششان نمی آید این است که این مقدار ظرفیت به بخشی از حلقه تنظیم تبدیل می شود. مبدل های با جبران حلقه یکپارچه اجازه نمی دهند ظرفیت خروجی بیش از حد برای جلوگیری از ناپایداری حلقه تنظیم کننده. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، اغلب راه هایی برای تحت تاثیر قرار دادن حلقه کنترل با استفاده از ظرفیت پیشخور در سراسر مقاومت فیدبک سمت بالا وجود دارد. شکل 6. خازن را به جلو تغذیه کنید تا در صورت عدم وجود پین جبران حلقه، امکان تنظیم حلقه کنترل را فراهم کند. برای رفتار گذرا و راه اندازی یک منبع تغذیه، زنجیره ابزار توسعه شامل LTpowerCAD و به ویژه LTspice بسیار مفید است. یکی از اثراتی که به خوبی به مدل سازی و شبیه سازی کمک می کند، جدا شدن خازن های ورودی بزرگ FPGA از خازن های خروجی منبع تغذیه است. شکل 6 این مفهوم را نشان می دهد. در حالی که منبع تغذیه POL (نقطه بار) نزدیک به بار قرار دارد، اغلب مقداری رد PCB بین منبع تغذیه و خازن ورودی FPGA وجود دارد. هنگامی که چندین خازن ورودی FPGA در کنار یکدیگر روی برد وجود دارد، آنهایی که دورتر از منبع تغذیه هستند تأثیر کمتری در عملکرد انتقال منابع تغذیه خواهند داشت، زیرا مقداری مقاومت و همچنین اندوکتانس اثر انگلی بین آنها وجود دارد. . این اندوکتانس های برد انگلی می توانند اجازه دهند که ظرفیت ورودی یک FPGA از حداکثر ظرفیت خروجی منبع تغذیه بزرگتر باشد، حتی اگر همه خازن ها به یک گره روی برد متصل باشند. در LTspice می توان اندوکتانس های ردیابی انگلی را به شماتیک اضافه کرد و چنین اثراتی را مدل کرد. نتایج شبیه‌سازی زمانی به واقعیت نزدیک است که اجزای انگلی کافی در مدل‌سازی مدار گنجانده شوند. شکل 7. جداسازی انگلی بین خازن های خروجی منبع تغذیه و خازن های ورودی FPGA. دقت ولتاژ دقت ولتاژ منبع تغذیه FPGA معمولاً باید بسیار بالا باشد. باند تحمل تغییرات تنها 3٪ بسیار رایج است. به عنوان مثال، نگه داشتن یک ریل هسته Stratix V در ولتاژ 0.85 ولت در یک پنجره دقت ولتاژ 3 درصد به یک باند تلرانس کامل تنها 25.5 میلی ولت نیاز دارد. این پنجره کوچک شامل تغییرات ولتاژ پس از گذرای بار و همچنین دقت dc است. مجدداً، زنجیره ابزار منبع تغذیه موجود شامل LTpowerCAD و LTspice در فرآیند طراحی نیرو برای چنین الزامات سختی ضروری است. آخرین توصیه در مورد انتخاب خازن های ورودی FPGA است. برای اینکه آنها بتوانند به سرعت جریان های بزرگ را تحویل دهند، معمولاً خازن های سرامیکی انتخاب می شوند. آنها برای این منظور خوب کار می کنند، اما باید طوری انتخاب شوند که مقدار خازن واقعی آنها با ولتاژ بایاس dc کاهش پیدا نکند.

ترک یک پیام 

فهرست پیام